JP2016129893A - 形鋼用矯正装置および形鋼の製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】形鋼の矯正を効率良く行うことができ、圧下量が増大しても形鋼のフランジの表面に段差が発生しないようにする。
【解決手段】フランジ１０２を圧延するロール１，２，３のうち、端部がフランジ表面上に位置するロール２、３の端部外周に、ロール端部に近づくほどロール径が小さくなるテーパー２８，３８を形成した。
【選択図】図２

Description

本発明は、Ｈ形鋼やＴ形鋼等の、ウェブとそのウェブの高さ方向での少なくとも一端から張り出すフランジとを備える形鋼に好適に用い得る形鋼用矯正装置、および矯正を行なってこの種の形鋼を製造するのに好適な形鋼の製造方法に関する。

Ｈ形鋼やＴ形鋼等のフランジを有する形鋼は、鋼板の溶接組立や熱間圧延で製造されているが、製造工程において加熱や冷却、塑性変形が不均一となったことが原因で長手方向の全体、又は一部に曲がりや反りが発生し、まっすぐな製品が得られない場合がある。
Ｈ形鋼を例に曲がりと反りについて説明すると、曲がりとは、図３に示すように、Ｈ形鋼１００の長さ方向に沿って、ウェブ１０１の高さ方向にＨ形鋼１００が湾曲する状態のことを言う。図３の例では、長さＬ当たりにδの曲がりが図中の左側のフランジ１０２側に生じている。

また、反りとは、図４に示すように、Ｈ形鋼１００の長さ方向に沿って、ウェブ１０１の厚さ方向（フランジ１０２幅方向）にＨ形鋼１００の湾曲Ｓがある状態のことを言う。
また、曲がりと反りが複合した捩れを有する形状不良品が発生する場合もある。このような曲がりや反りを除去し、まっすぐな製品とするため、一般には製品出荷前に冷間矯正が行われる。

形鋼の矯正方法として、例えば特許文献１に記載されているプレスを用いて形鋼に曲げ応力を付与する方法、例えば特許文献２に記載されている上下に千鳥状に配置した複数のローラを用いてウェブを圧下するローラ矯正方法などが一般的である。
しかし、特許文献１は、形鋼の曲がりを効果的に矯正することができるものの、形鋼における圧下する長手方向位置を曲がりの状況に応じて選定してから適切な圧力で圧下して矯正する必要がある。また、特許文献１は、矯正に複数回の圧下を必要とする場合が多いため、矯正に要する時間が長いという問題がある。

また、特許文献２は、矯正に要する時間が短く、様々な大きさの反りを除去することが可能な鋼能率な矯正方法である。しかし、特許文献２は、曲がりに対して矯正能力が低いという問題があった。また、特許文献２には水平ロールだけではなく、竪ロールを設置したローラ矯正機が開示されているが、竪ロールを追加してもローラ矯正機の曲がり矯正能力が十分とは言えない。

一方、曲がり矯正効率が高く処理能力が優れている形鋼の矯正方法として、例えば特許文献３に記載の方法が知られている。
この特許文献３に記載されている形鋼の矯正方法は、フランジをウェブとは反対側の面から押圧する支持ロールと、ウェブの高さ方向の端部からウェブの両面側にそれぞれ張り出す右フランジ及び左フランジをウェブ側の面から押圧する一対の矯正ロールとを用い、支持ロール及び一対の矯正ロールに所定の圧下力を加えてフランジを圧延する曲がり矯正方法である。

この特許文献３は、成形された形鋼の局所的な曲がりを搬送しながら矯正することができるので、矯正の処理効率の点で有利である。
しかし、特許文献３の形鋼の矯正方法は、右フランジ及び左フランジのウェブ側の面（内面）を押圧している一対の矯正ロールが、ウェブとの干渉を避けるためにウェブから離間しているので、右フランジ及び左フランジの内面に矯正ロールで圧延される部分と圧延されない部分が発生し、その境界に段差が生じるので、形鋼の表面形状の品質の面で問題がある。

ここで、一対の矯正ロールの軸方向端部の外周に丸みをつけることで、右フランジ及び左フランジの内面に段差が発生するのを防止することが考えられる。
しかし、発明者らが、形鋼矯正時の圧下量の変化と、フランジ内面への段差発生について検討を重ねたところ、一対の矯正ロールの軸方向端部の外周にロール寸法に対する実用的な円弧半径の丸みを付与しても、圧下量の増加に伴って段差が発生しやすいことが明らかになった。したがって、段差の発生を防止するために圧下量を小さくすれば、形鋼の曲がりが大きい場合には矯正能力が不足し、曲がりを十分に除去することができない。

特開２００８−０３００９０号公報 特開平８−１７４０６９号公報 特開２０１３−２４８６４０号公報

そこで、本発明は、上記従来例の未解決の課題に着目してなされたものであり、形鋼の矯正を効率良く行うことができるとともに、圧下量が増大しても形鋼のフランジの表面に段差が発生せず高品質の形鋼を得ることができる形鋼用矯正装置および形鋼の製造方法を提供することを目的としている。

上記目的を達成するために、本発明の一態様に係る形鋼用矯正装置は、ウェブと、ウェブの高さ方向での少なくとも一端から張り出すフランジとを備える形鋼に用いられ、形鋼を冷間で搬送しつつフランジを圧延することでウェブの高さ方向での曲がりを矯正する装置である。この装置は、フランジを圧延するロールのうち、ロール端部がフランジ表面上に位置するロールの端部外周に、ロールの端部に近づくほどロール径が小さくなるテーパーを有する。

また、本発明の一態様に係る形鋼の製造方法は、ウェブと、ウェブの高さ方向での少なくとも一端から張り出すフランジとを備える形鋼に用いられ、形鋼を冷間で搬送しつつフランジを圧延することでウェブの高さ方向での曲がりを矯正する形鋼の製造方法である。そして、圧延を行なうロールとして、少なくともロール端部がフランジ表面上に位置するロールは、ロールの端部外周に、ロール端部に近づくほどロール径が小さくなるテーパーを有するロールを用いるようにした。

本発明に係る形鋼用矯正装置および形鋼の製造方法によれば、形鋼の矯正を効率良く行うことができるとともに、圧下量が増大しても形鋼のフランジの表面に段差が発生せず高品質の形鋼を得ることができる。

本発明の一態様に係る形鋼用矯正装置の一実施形態である圧延方式の矯正装置の正面図である。 本発明に係る形鋼用矯正装置を構成する一対の矯正ロールの形状を示す図である。 形鋼の圧延製造による「曲がり」を説明する図であり、同図(ａ)は平面図、(ｂ)は横断面図である。 形鋼の圧延製造による「反り」を説明する図であり、同図(ａ)は平面図、(ｂ)は横断面図である。

以下、本発明を実施形態するための形態（以下、実施形態という。）を、図面を適宜参照しつつ説明する。
図１に示す第１実施形態の矯正装置は、形鋼を冷間で搬送しつつ前記ウェブの高さ方向での曲がりを圧延で矯正するものである。
第１実施形態の矯正装置１０は、フランジを圧延することで曲がりを矯正する形鋼としてＨ形鋼１００に適用した例である。なお、この例は、Ｈ形鋼１００を製品長に切断した状態で矯正を行っており、Ｈ形鋼１００は、その長手方向に沿って設けられた不図示の複数のテーブルローラ上に載置され、不図示の駆動装置によりＨ形鋼１００の長手方向に搬送されるようになっている。

Ｈ形鋼１００は、ウェブ１０１と、ウェブ１０１の高さ方向での両側にそれぞれ設けられる二つのフランジ１０２、１０２とを有して構成されている。各フランジ１０２、１０２は、ウェブ１０１の厚さ方向での左右両側にそれぞれ張り出して一対をなしている左フランジ部１０２ａおよび右フランジ部１０２ｂを有する。つまり、本明細書においては、一方のフランジ１０２（同図では下側のフランジ）に対し、その張り出す左右について、左右のフランジ部１０２ａ，１０２ｂと呼称する。

矯正装置１０は、同図に示すように、フランジ１０２の外面（ウェブ１０２ｃがない側の面）に対向させるロール１（以下、支持ロール１と呼ぶ）と、フランジ１０２の内面（ウェブ１０２ｃがある側の面）に対向させるロール２、３（以下、一対の矯正ロール２，３と呼ぶ）とを備えている。
支持ロール１は、図１の水平方向に延在する軸を回転軸とし、不図示のチョックによって回転自在に枢支されている。そして、支持ロール１は、図１では下側のフランジ１０２をウェブ１０１とは反対側の外面１０２ｃから支持している。

一対の矯正ロール２，３は、同図下側のフランジ１０２に対し、ウェブ１０１側の面から左右のフランジ部１０２ａ，１０２ｂに対向配置されている。各矯正ロール２，３は、同一の構成を有している。
つまり、各矯正ロール２，３は、それぞれのチョック２２，３２の先端に、図１の水平方向に延在する軸を回転軸Ｐ１，Ｐ２とした支軸２１，３１を介して回転自在に枢支されている。

各チョック２２，３２は、それぞれの基端部が図示を省略した支持機構によって、支持ロール１との対向方向にスライド移動可能に支持されている。そして、一対の矯正ロール２，３は、矯正ロール２，３毎に設けられた一対の押圧力制御手段により図中矢印で示すように押圧力が付与されることで、左右のフランジ部１０２ａ，１０２ｂを支持ロール１との間で挟圧するようになっている。
そして、左右のフランジ部１０２ａ，１０２ｂを矯正ロール２、３と支持ロール１との間で挟圧しながら、支持ロール１を回転駆動させることにより、フランジ１０２の圧延が行なわれる。

ここで、図２に示すように、支持ロール１の幅（ロール胴長方向の長さ）は、矯正されるＨ形鋼１００のフランジ幅よりも大きい値とされている。よって、支持ロール１の端部は、フランジ表面上に位置することはない。一方、矯正ロール２，３はウェブ１０１に対向する側の側部がフランジ１０２の表面（内面）上に位置することとなる。
本実施形態では、フランジを圧延するロールのうち、端部がフランジ表面上に位置するロールである。

一対の矯正ロール２，３には、図２に示すように、左側のフランジ部１０２ａの内面１０２ａ１に接触する矯正ロール２の端部外周と、右側のフランジ部１０２ｂの内面１０２ｂ１に接触する矯正ロール３の端部外周に、ロール端部に近づくほどロール径が小さくなる一様な角度θのテーパー２８，３８が形成されている（以下、θをテーパー角度と呼称する）。
そして、テーパー２８，３８のテーパー角度θは、一対の矯正ロール２，３の回転軸Ｐ１，Ｐ２に対して１°≦θ≦３°の範囲で傾斜している。
また、テーパー２８，３８を設けた端部外周以外の外周は、ロール径が軸方向に沿って等しくされたフラット形状とされており、各テーパー２８，３８のテーパーロール幅Ｌは、左右のフランジ部１０２ａ，１０２ｂの圧延に影響を与えない程度の幅に設計されている。

次に、第１実施形態の矯正装置１０およびこれを用いて形鋼の曲がり矯正を行なう形鋼の製造方法並びにその作用効果について説明する。
そして、第１実施形態の矯正装置１０で形鋼の曲がり矯正を行なって形鋼を製造するに際し、まず、冷却床で所定温度まで冷却後のＨ形鋼１００のうち、曲がりのあるもののみを抽出する。そして、矯正装置１０の入側にて、そのＨ形鋼１００のウェブ１０１の高さ方向での曲がりを測定し、その測定値（曲がりの発生位置、および曲がり量δ（図３(ａ)参照）に基づき、矯正ロール２，３に付与する圧下力（圧延荷重）を予め設定された所定値とする。

次いで、Ｈ形鋼１００を矯正装置１０に導く複数のテーブルローラ上に載置する。そして、曲がり方向の内側にあるフランジ１０２（図１での下側）をウェブ１０１とは反対側の外面１０２ｃから支持ロール１で支持するとともに、左右のフランジ部１０２ａ，１０２ｂそれぞれをウェブ１０１側の面から一対の矯正ロール２，３によって予め設定された圧下力にて押圧することで支持ロール１との対向方向で挟圧しつつ、支持ロール１を回転駆動する駆動装置によりＨ形鋼１００をその長手方向に冷間で搬送しつつフランジを圧延することで、Ｈ形鋼１００の曲がりを矯正する。

この第１実施形態の矯正装置１０を用いたＨ形鋼１００の製造方法は、一対の矯正ロール２，３により挟圧するための押圧力を、ウェブ１０１の高さ方向での曲がり（図３（ａ）の曲がり量δ）に応じて設定した所定値に維持するように個別に制御するので、圧延時に生じる左右のフランジ部１０２ａ，１０２ｂの圧下率差や伸び率差を少なくすることができる。
曲がりが大きい場合には、延伸量が大きくなるように左右のフランジ部１０２ａ，１０２ｂの圧下率を大きくする。ここで、従来の矯正方法（例えば、特許文献３）では、圧下率を大きくすると、左右のフランジ部１０２ａ，１０２ｂの内面１０２ａ１，１０２ｂ１に矯正ロールで圧延される部分と圧延されない部分が発生しその境界に段差が生じる。

しかし、この第１実施形態では、左右のフランジ部１０２ａ，１０２ｂの内面１０２ａ１，１０２ｂ１に接触する一対の矯正ロール２，３の端部外周に、ロール端部に近づくほどロール径が小さくなるテーパー２８，３８が設けられていることから、圧下率を大きくしても左右のフランジ部１０２ａ，１０２ｂに対する接触角度が一定に保たれるので、内面１０２ａ１，１０２ｂ１に段差が発生するのを抑制することができる。

また、一対の矯正ロール２，３の端部外周に設けたテーパー２８，３８のテーパー角度θが１°未満であると、テーパーロール幅Ｌが長くなり、左右のフランジ部１０２ａ，１０２ｂを圧延して延伸させる部分の幅が減少して矯正効果が小さくなる。一方、テーパー角度θが３°を越えると、圧下部と非圧下部との境界がＨ形鋼１００の長さ方向に延在する線として発生しやすい。

したがって、テーパー２８，３８の端部外周に設けたテーパー角度θを１°≦θ≦３°に設定したことで、一対の矯正ロール２，３による矯正効果を高めることができるとともに、内面１０２ａ１，１０２ｂ１の圧下部と非圧下部との間に境界線などが発生しにくい。
このように、第１実施形態の矯正装置１０を用いた形鋼の製造方法は、Ｈ形鋼１００の矯正を効率良く行うことができるとともに、圧下量が増大してもＨ形鋼１００の左右のフランジ部１０２ａ，１０２ｂの内面１０２ａ１，１０２ｂ１に段差が発生せず高品質の形鋼を得ることができる。
なお、曲がりを矯正するために必要なフランジ部の圧下率は、熱間圧延Ｈ形鋼の一般的な曲がりの大きさから考えて、１％以下の圧下率で十分であることが多い。

また、テーパー２８，３８のテーパーロール幅Ｌは、曲がりを矯正する際のフランジ１０２の圧下量の最大値Δｈ-maxで圧延しても、左右のフランジ部１０２ａ，１０２ｂの表面がテーパーの範囲内に留まるように決定すればよい。具体的には、テーパー角度θと、最大フランジ圧下量Δｈ-maxとを用いてテーパーロール幅Ｌの最小値Ｌ-minは以下の（１）式で表される。
Ｌ-min＝Δｈ-max／ tanθ ………（１）

実際のテーパーロール幅Ｌは最小値Ｌ-minより大きくする必要があるが、テーパーロール幅Ｌを大きくし過ぎると、左右のフランジ部１０２ａ，１０２ｂを圧延する一対の矯正ロール２，３のロール平坦部の幅が小さくなるので、操業のばらつきを許容できる最小の幅に設計することが望ましい。具体的には、テーパーロール幅Ｌは、最小値Ｌ-min ＋ ５０mm以下とすることが好ましい。

なお、本発明に係る形鋼用矯正装置および形鋼の製造方法は、上記実施形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しなければ種々の変形が可能である。
上記実施形態では、テーパー２８，３８を形成するロール端部は、矯正ロール２、３のそれぞれウェブ１０１と対向する側の端部の１箇所ずつとしているが、例えば、フランジ幅が広く矯正ロール２，３の両端がフランジ１０２の表面上に位置する場合には、それぞれの矯正ロールの両端にテーパーを形成してもよい。このとき、両端のテーパー角度を個別に設定してもよい。さらに、支持ロール１の幅よりもフランジ幅が広い形鋼の圧延を行なう場合には、支持ロール１の片側端部、或いは両側端部にテーパーを形成してもよい。

また、第１実施形態では、形鋼として、Ｈ形鋼１００を例に説明したが、これに限らず、本発明は、ウェブと、そのウェブの高さ方向での少なくとも一端から張り出すフランジとを備える形鋼であれば、種々の形鋼に適用可能である。
さらに、図１の第１実施形態では一対のフランジ１０２が上下に位置する所謂Ｉ姿勢のＨ形鋼１００の曲がり矯正について説明したが、一対のフランジ１０２が水平方向に配置されている所謂Ｈ姿勢のＨ形鋼１００の曲がり矯正を行う場合には、支持ロール１及び一対の矯正ロール２，３を９０°回転させた装置であっても適用が可能である。

図１に示す矯正装置１０で形鋼の曲がりを矯正して形鋼の製造を行なった。
一対の矯正ロール２，３のテーパー２８，３８のテーパー角度θは２°に設定した。
そしてウェブ１０１の高さが６００mm、フランジ１０２の幅が３００mm、ウェブ厚さが１２mm、フランジ厚さが２２mmのＨ形鋼１００の曲がり矯正を行なった。
このＨ形鋼１００の全長は８mであり、全体に略同じ形状の曲がりが発生しており、全長８ｍでの曲がり量は１８mmであり、寸法交差は±８mm（長さ１m当たり１mm）を越えていた。なお、このＨ形鋼１００の降伏強度の規格値は３２０MPaである。

そして、曲がり矯正条件として圧延荷重を１１５tonfに設定し、Ｈ形鋼１００の曲がり矯正を行なった。
曲がり矯正後のＨ形鋼１００は、全長の曲がり量が１mmにまで減少し、寸法交差内の曲がり量のＨ形鋼を製造することができた。
また、曲がり矯正後のＨ形鋼１００の内面１０２ａ１，１０２ｂ１を観察したが、圧下部と非圧下部との境は明瞭に判別できず、内面１０２ａ１，１０２ｂ１に段差は発生していなかった。
なお、曲がり矯正後のＨ形鋼１００からフランジを切断し、矯正されたフランジ内面のプロフィールを測定したところ、曲がり矯正で圧延された部分の両端には角度１．５°程度の傾斜が形成されていたが、傾斜の両端は滑らかなプロフィールであり、段差がないことが確認できた。

次に、比較例として、従来のようにロールの端部に円弧状の丸みを付けた一対の矯正ロールでＨ形鋼の曲がり矯正を行なうことでＨ形鋼を製造した。丸みの円弧半径は４０mmとし、上述したＨ形鋼１００と同じ寸法と規格で全長の曲がりが１９mmのＨ形鋼の曲がりを矯正した。そして、Ｈ形鋼１００と同じフランジの圧下率を与えるため、同様に１１５tonfの圧延荷重で矯正した。その結果、まっすぐな状態で曲がりを矯正することができたが、曲がり矯正後のフランジ内面には、丸みを付けたロール端部の境界線及び段差が形成されており、段差を削り取る作業が必要になった。

さらに、別の比較例として、一対の矯正ロールの端部外周のテーパー角度を４°とし、全長の曲がり量が１６mmのＨ形鋼に対して、Ｈ形鋼１００と同じ寸法と規格で曲がり矯正を行なった。その結果、矯正後の曲がり量を全長で２mmまで小さくすることができた。しかし、曲がり矯正後のフランジ内面を観察したところ、ロール端部の境界線が目視で確認できる程度に残っており、境界線を削り取る作業が必要になった。
以上のように、本発明に係る矯正装置１０で形鋼の曲がりを矯正すると、曲がり矯正後のＨ形鋼１００の内面１０２ａ１，１０２ｂ１に段差や境界線が形成されず、良好な表面形状を保つことができるので、形鋼の曲がりを効果的に低減することができる。

１…支持ロール
２，３…矯正ロール
１０…矯正装置
２１，３１…支軸
２２，３２…チョック
２８，３８…テーパー
１００…Ｈ形鋼
１０１…ウェブ
１０２…フランジ
１０２ａ…左フランジ部
１０２ｂ…右フランジ部
１０２ａ１…左フランジの内面
１０２ｂ１…右フランジの内面
１０２ｃ…フランジの外面
Ｌ…テーパーロール幅
Ｐ１，Ｐ２…矯正ロールの回転軸
θ…テーパー角度（角度）

Claims (4)

1. ウェブと、前記ウェブの高さ方向での少なくとも一端から張り出すフランジとを備える形鋼に用いられ、前記形鋼を冷間で搬送しつつ前記フランジを圧延することで前記形鋼の前記ウェブの高さ方向での曲がりを矯正する形鋼用矯正装置であって、
   前記フランジを圧延するロールのうち、ロール端部が前記フランジの表面上に位置する前記ロールの端部外周に、前記ロール端部に近づくほどロール径が小さくなるテーパーを有することを特徴とする形鋼用矯正装置。
2. 前記端部外周に形成した前記テーパーの前記ロールの回転軸に対する角度をθとすると、１°≦θ≦３°の範囲であることを特徴とする請求項１記載の形鋼用矯正装置。
3. ウェブと、前記ウェブの高さ方向での少なくとも一端から張り出すフランジとを備える形鋼に用いられ、前記形鋼を冷間で搬送しつつ前記フランジを圧延することで前記ウェブの高さ方向での曲がりを矯正する形鋼の製造方法であって、
   前記圧延を行なうロールとして、少なくともロール端部が前記フランジの表面上に位置する前記ロールは、前記ロールの端部外周に、前記ロール端部に近づくほどロール径が小さくなるテーパーを有するロールを用いることを特徴とする形鋼の製造方法。
4. 前記端部外周に形成した前記テーパーの前記ロールの回転軸に対する角度をθとすると、１°≦θ≦３°の範囲であることを特徴とする請求項３記載の形鋼の製造方法。

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